推动摩尔定律前进的工程师们讲述他们的故事-电子工程世界

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——纪念摩尔定律50周年

摩尔在1965年4月19日的《电子学》杂志上发表了一篇震惊世人的报告：每两年，在同样大小的硅集成电路板上，可供工程师排布的电子元件数会增加一倍。

在接下来的50年，每个进步的创新和半导体性能的显著改善，都多多少少遵循了这个预言。

他们的努力使高技术领域近乎魔术般的发展，最终其转变成为众人皆知的摩尔定律指数曲线。

在数以千计促进摩尔定律发展的工程师们中，记者采访了其中三位顶尖的芯片专家，他们在分享自己故事的同时，乐观的认为摩尔定律将会继续发展。

半导体专家Robert Maire在最近的报道中说：“当今摩尔定律发展的方向已经不局限于速度更快、造价更低的电脑。而是面向无数从社交到智能手机和平板电脑互联网化应用的新领域。”

Maire写到：“其他行业没有类似的宣称，可以如此深远影响那么多人的生活。在一个生命周期内，比起其他行业，世界上越来越多的变化都源自半导体行业，越来越多的人都受到半导体行业积极的影响。”

它所产生的经济价值能达到数万亿美元的水平，VLSI研究机构主管G. Dan Hutcheson说到。他计算出，单单在去年通缩的条件下，金属硅领域就创造了高达678亿美元的市场。另外，芯片产业就强势地占据了整个电子行业约5000亿美元的份额。

“（由摩尔定律驱动的广泛的科技公司的市场价值）摩尔定律主导的光谱公司市场价值在2014年就达到13万亿美元，” Hutchison估计“从另一个角度来说，如果摩尔定律没有被提出，同时集成电路行业停止创新的话，世界经济会流失近20%的总资产价值。”

图摩尔在其最初文章中总结的简单图表

摩尔定律对Mark Bohr这样的工程师来说，是其日常生活的中心，并引领着Intel公司稳固地成为世界最大的芯片制造商。

“当我在1978年加入公司的时候，此观念就已深深植入在了企业文化当中。” Intel 制造集团资深员工Bohr说到“一篇文章，比行业中其他人更快的成为我们追随的方向。”

Bohr继续回忆到，1978年，他和时认Intel公司首席执行官的摩尔少有的进行了一次合作。作为一个从大学刚毕业，才在Intel工作6个月的新人。Bohr研制出了一种新的触点刻蚀工艺，随后他给小组组长和资深工程师发送了一篇报告，同时抄送给了摩尔。

“我知道摩尔是核心工程师，他应该会对此很感兴趣。” Bohr回忆说“一周后，摩尔回复了先前他写过的文章，其中说到‘嘿，Mark，这项发明不错，请确保其他工程师也了解它。’”Bohr至今还在办公室里保存着这封回信。

“我余下的职业生涯在俄勒冈州度过，所以我们很少见面和交流。但是，在一些我的上级给摩尔作报告时，我见过他。” Bohr说到：“他更多的时候是在安静的聆听，偶尔会说一些简短的睿智的话——他不像其他CEO那样喋喋不休。”

避免摩尔而非定律

Chenming Hu被认为是FinFET之父——他的3-D晶体管技术是推动摩尔定律进步的最新技术之一。他回忆到，在1969年的一场午餐会上，他还拒绝了摩尔的工作邀请。

“我是伯克利大学毕业的中国台湾人，Andy Grove（Intel总经理）曾经是我的老师之一。在课程快结束的时候，我在宿舍里接到Andy的电话，他说为什么不来Intel参观一下。随后，我和摩尔还有Robert Noyce等人一起吃了顿饭，他们邀请我来Intel公司工作，但是我决定继续攻读博士学位，因为我的父母想让我继续学习。”

问题解决了，如今，Hu是伯克利大学的教授，同时也是台湾代工巨头TSMC的前总工程师。

Chenming Hu教授

Hu认为摩尔定律是一个挑战，是一个注定会成为现实的预言。对优秀工程师——特别是参与微型加工工艺的制造业工程师来说，也是最好的证明。

他们是理应得到更多荣誉的英雄，数以万计的工程师们，在高生产率的压力下，还要尽可能的把元件变小。

在20世纪90年代中期，仿真技术可以使晶体管变得极其微小以至难以触摸到。但是，像漏水的水龙头一样，其生产过程中浪费的能源比产生的还多。

他说：“人们认为CMOS不会超过0.1微米的极限——我们甚至还用不到纳米级进行测量。”

为了解决即将来到的危机，美国国防部先进研究项目局开展了一项全新的25 nm开关项目。

在1997年，Hu提出的两条建议帮助他赢得了一个同他们合作的机会。两年后他公开了他的意见——超薄绝缘体硅镀膜(UTB SOI)和被叫做FinFET的全新3D晶体管。

同时，工程师们在讨论，业界是否可以大幅提高为UTB专门设计的5 nmSOI晶圆的产量。

“在2000年，这样的厚度是当时可生产厚度的二十分之一。”Hu说“大部分公司认为，提高每个Fin的生产工艺比单独在SOI工业界努力要简单。”

时间来到2015年，SOI薄膜的生产工艺不再是一个障碍。意法半导体、三星和其他一些公司在技术方面起到了支持作用，但是更大范围的公司更愿意采用FinFETs技术。

“我想这两种技术会共存下去，”Hu继续说道：“打动我的是业界能迅速的接受FinFETs技术。”

“我已经做了长期有深远意义的研究，业界还没有如此迅速的接受新技术的例子。”他说“我被邀请去参观一些公司，大多是Intel公司——在两年内FinFETs会成为平面晶体管未来的接班人，尤其是当UTB SOI已出现了一年，这确实让我相当惊讶。”

来自铜互连技术的发起者Bijan Davari的观点

作为IBM的合作伙伴，90年代铜互连技术的发起者Bijan Davari认为，半导体行业的创新，需要众多团队一起推动。

1984年，Davari取得半导体行业博士学位，并成为IBM的一员。当时芯片的生产尺寸还远远大于1微米。

在他的职业生涯早期，Davari和Robert Dennard一起工作。工程师们正热火朝天地讨论CMOS技术的优缺点，Davari回忆说：

“在当时，人们认为高性能的芯片只能利用bipolar工艺进行制作，但是它耗能巨大。 CMOS通常耗能很少而且能整合更多的功能，但其缺点是速度很慢。”

低压CMOS仅适合于应用程序，例如数字显示电子表。但是，总的来说我们继续发展了这个想法，即所有高性能逻辑电路都能由CMOS制造。

Bijan Davari图

最终，Intel和IBM都倾向于CMOS，并树立了行业方向。对IBM来说，当决定利用一个CMOS系统代替上万个bipolar芯片来制作大型计算机时，转变就开始发生了。

单处理机性能逐渐下降，但是IBM发明了并行处理技术，用来提升系统的整体性能。同时CMOS可以为新的冷却技术和包装技术节省空间和造价。

他说：“终于，当我向IBM展示CMOS性能并成为其合作者后，整个行业都倾向于高性能低功耗的CMOS技术。”

在20世纪90年代早期，由于铝连接方法的局限性，工程师们开始研究最新型芯片所需要的精细线路技术。

Davari说到：“IBM的研究人员已经展示了铜连接工艺的优点，但是使用它们还需要一些新的制造技术。“铜不像铝那样容易被腐蚀，而且铜在设备级水平上还有不利影响。”

大约有6个团队在研究铜连接的绝缘、电镀和抛光等不同工艺，并取得了进展。

所有的这些步骤都和以往的连接布线方法不同，我们积极地使用非常严格的方法来进行测量。

我们需要改变主机和其他系统生产线上的工具，一个小失误就会对生产安排引起严重影响。

我们需要和很多工具生产商合作，串联起整个生产系统，并确保其运转正常。

我们帮助开创了整个公司，并因为铜技术使其变得非常重要，在三或四年后，我们就一起合作并应用在产品中。

甚至其竞争对手Intel都给Davari的团队赞誉有加。Intel 的Bohr 说“Intel有理由说他们发明了应变硅和high-k metal gates（高电介质金属门），同样第一个把FinFETs应用到实际产品中的公司。但是，我还是会祝贺IBM在铜研究领域取得的成绩。”

“作为技术专家，我非常钦佩他，” Bohr说“我们并不经常见面，但是当我们在同一场会议中，我们会彼此寻找对方，并不是为了酒后得到所谓的秘密，而是我们可以询问对方的意见。”

破釜沉舟

工程师在每个研发过程的节点都面临着挑战，比过去克服过的困难还要复杂。

“在攻克每个难点之前的几年，我们都是心惊胆战的。数年后当我们回想起来的时候，我们会说在那段实现预言的黄金期一切都很简单，”Intel的 Bohr说：“我始终记得在1980年左右，我们试图把芯片从2微米过渡到1微米，这对我们来说是难以想象的，我们不知道该如何去做，但是当成功后，我们回顾的时候总觉得很简单。”

Mark Bohr图

例如，铜连接首次应用于130纳米节点的时候。Bohr 说：“我们变得很害怕，但是它最终成为不仅造价更便宜而且产量超乎我们预期的产品。最近的一次，我们认为22纳米节点（Intel首次应用在FinFETs）很难被征服。但是今天，他是我们产量最高，缺陷度最低的工艺。”

进步通常源于坚决地遵守摩尔定律这一直觉。“你永远得不到你想要的所有数据，”Bohr说：“不同阶段的回忆可以形容为破釜沉舟式行军。”

例如在45纳米节点，Intel公司已经在研究的高电介质金属门了。

由于时间紧迫，研究团队和早先的开发小组制造了一些晶体管，但是它们的产能和可靠性都很低，而且性能也达不到工程师们的要求。

我们和五六个负责45纳米节点的工程师们在一起讨论，我们是否可以成功，其中一个人回答“可以”。当你拥有这样的工程师时，他们知道如何推断数据之外的东西。

在数年前决定不使用SOI是相对容易的。

在整个研究阶段中，SOI从来没有被忽视，只是它的性价比很低。一旦我们做了这个决定，我们就没有退路了，当然我也不会退回去改变什么，我认为我们做了正确的选择。

创始者离开了，但是摩尔定律将继续发展

图 Intel公司在摩尔定律图上标示出其合作方名称及发展过程

Maire分析到，当摩尔定律步入第50个年头，我们可以发现其明显的规律。就像人到了50岁之后，就需要更多的力量去保持他年轻时的步伐。

他开玩笑说摩尔定律像一个老眼昏花的老人，光刻设备成为半导体业第一次失败的领域。尽管工程师们不遗余力地进行优选，但是行业用的加强版193纳米光刻工具还是使用了十多年。

“指数增长是没有尽头的。”伯克利教授Hu在回忆小学老师关于不停从中间剪断绳索的难题时说。

“我们正接近需要原子级的水平，但是我认为摩尔定律会在那之前失效，”Hu继续说到，“在线性参数水平上制造更小的东西，已经快达到我们的极限了，所以我们不得不需找其他出路”。

丰富的垂直叠加方法带给我们希望，Hu正把FinFETs技术引入到最新的3D NAND闪存芯片。Hu说：“我希望制造业能涌现更多的新星，同时出现更多更便宜的制造方法。”

对Hu来说，处于研究阶段的隧道晶体管和其他方法，可以使0.1V电压下运行的纳米级MEMS电路和负电容集体管成为可能。

IBM的Davari认为在系统层面摩尔定律充满着希望，“我不认为传统的摩尔定律在未来会被人们抛弃，它将会更紧密地和产品联系起来。”

“性能源自频率从兆赫兹快速地提升到吉赫兹，在20年内性能提升了近千倍，同时器件体积也在缩小。”他说。

Davari从2003年就领导一个从多芯硅到软件分析的跨领域研究小组，他说 “如今由于微型化几乎停滞不前，我们不得不同时考虑多核及加速器技术。”

“下一个发展趋势会更加有趣同时十分诱人，因为我们需要完全地开动脑筋。”

Davari乐观地认为，在工业级水平，每5年，用户会收获比以前多10倍的收益。

总的来说，保持同等的功耗水平是未来发展的瓶颈，它会刺激硅锗合金等新金属材料的应用。我认为摩尔定律将会继续发展，我预料7纳米到5纳米技术在未来10-15年就会实现。

之后，非常有趣的工作将会不断出现。例如，新式碳纳米管开关，拥有高效加速技术的量子计算和脑启发计算等非传统新计算模型也将陆续面世。

Intel公司的Bohr认为3D架构会越来越重要，硅穿孔技术在今天芯片领域的使用，使其密度有数量级的飞跃成为必要。

总的来说，“摩尔定律不会结束，它会继续演进和改变我们正在从事的领域，” Bohr说，“我们的工业能力可以长期的从一方面或多方面促进IC的创新和发展。指数级的增长很难继续保持下去，发展速度在十年之内不会显著增长，但是会继续前进。”

关键字：摩尔定律半导体编辑：chenyy 引用地址：推动摩尔定律前进的工程师们讲述他们的故事

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